教育意図を利用したプログラムのプルーフリーダの提案
2012SE027後藤悠太 2012SE172長谷優磨 2012SE246田原寛隆指導教員：蜂巣吉成
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はじめに
大学でプログラミング演習を行う際，学習者は教育者か ら課題を与えられ，プログラムを作成するといった形式が 多い．課題には実行例が載っているので，学習者は実行例 通りにプログラムが動作すれば良いと考える傾向があり， 教育者の意図と異なるコードを書いている学習者もいる． このような場合，教育者が学習者に対して意図と異なる記 述を指摘する方法で解決できるが，教育者が学習者一人ひ とりに対して指導する必要があり，負担が大きい．教育者 が学習者に対して模範解答を開示し，学習者が自身の解答 と比較するという方法もあるが，学習者は内部動作を考え ないことが多く，どこが悪いのか分からない場合がある． 2014年度の卒業研究“プログラミング演習における模 範解答派生機能を備えた学習用校正ツールの提案”[1]で は，学習者の解答に教育意図を含んだ記述があるか判定す るツールの提案をしている．この研究では，模範解答から 教育意図が記述されている箇所を教育意図パターンとして 抽出する．その教育意図パターンが学習者の解答に記述さ れているかを調べ，判定を行っている．しかし，すべての 課題において教育意図パターンが一律のルールで抽出され ているので，教育者が意図しない箇所が抽出される場合や 抽出して欲しい箇所が抽出されない問題がある．これによ り，適切な学習者の解答が不適切と判定されたり，不適切 と判定したい解答を適切と判定することがある． 本研究では，課題ごとに学ばせたい記述が異なると考え， 学習内容ごとに異なる抽出基準で教育者の模範解答から教 育意図を満たした箇所を抽出することで，2014年度研究の 問題点を解決する．本研究では，課題ごとに教育者が学習 者に学ばせたいことを教育意図とした．学習項目は，明解 C言語入門編[6]の章立てを参考に，学習内容ごとにまと めたものである．教育者が課題ごとに模範解答を用意し， 学習項目を選択することで模範解答から異なる基準で教育 意図を含んだ記述を抽出することができる．学習者の解答 からも同じ基準で教育意図を含んだ記述を抽出し，それぞ れ抽出されたコード断片を比較することで不適切な学習者 の解答を検出することができる．本研究で提案するプルー フリーダによって，学習者の学習効率向上と教育者の負担 軽減が期待される． 本研究で提案するツールは，プログラミング演習で学習 者がテストを行った上で教育意図と合っているかを確認す るために使用されることを想定している．したがって，学 習者のコードは「コンパイルに成功し，実行結果が正しい プログラム」を対象とする．2
関連研究
コーディングチェッカや学習者向きのフィードバック を行うツールはいくつか提案されている. CX-Checker[2] は，C言語プログラムのコーディングチェッカである． コーディング規約に基づき静的解析を行う．また，XPath などを用いてルールをカスタマイズすることができる．課 題ごとに教育者の意図を考慮した指摘やアドバイスを与え るためには，教育者が課題ごとにルールをカスタマイズす る必要があり，負担が大きい．proGrep[3]は，プログラム の翻訳(コンパイル)・実行と同時に履歴サーバに学習履歴 を蓄積し，学習履歴を利用して自動でパターンに記述され たアドバイスを行う．コンパイラの出力に対してアドバイ スを行うので，作成したプログラムが教育者の意図を満た しているかどうかは判定できない．C-Helper[4]は，静的 解析を用いてあらかじめ決められたルールに基づき，学習 者が陥りやすいミスを発見，指摘し，可能な範囲で解決策 を提案する．C-Helper[4]で決められたルールで指摘する ので，課題ごとに異なる指摘を行うことはできない．3
教育意図を利用したプルーフリーダ
本研究では，模範解答を用いることにより一般的なコー ディングチェッカではチェックすることが困難な課題に対 して正しく判定する．学習者が学習内容ごとの教育意図を 満たした記述をしているかをチェックするために，学習内 容ごとに異なる抽出基準で教育者の模範解答と学習者の解 答から教育意図が記されているコード断片を抽出する．抽 出したコード断片はそれぞれマッチングさせるために変数 名や関数名の抽象化を行う．これを評価コードとする．2 つの評価コードをマッチングすることで判定を行う．想定 される課題としてソースコード1の模範解答に対しソース コード2，ソースコード5の模範解答に対しソースコード 6のような学習者の解答が考えられる． Listing 1 模範解答のコード断片 1 max = array[0]; 2 for( i = 1 ; i < size ; i++){3 if(max < array[i]) max = array[i]; 4 }
Listing 2 学習者の解答のコード断片
1 max = 0;
2 for( i = 0 ; i < size ; i++){
3 if(max < array[i]) max = array[i]; 4 }
Listing 3 ソースコード1の評価コード 1 =[] 2 for(=1;<;++){ 3 $var= 4 } Listing 4 ソースコード2の評価コード 1 =0 2 for(=0;<;++){ 3 $var= 4 } ソースコード1は，「配列の最大値を求めるプログラムを 作成しなさい」という課題に対する模範解答のコード断片 で，教育意図は「配列の先頭要素の処理を行って，残りの 要素を順に走査し処理を行う」である．ソースコード1で 示したコード断片は要素数size(≥1)の配列arrayから最 大値を求める処理であり，まず配列の先頭要素を仮に最大 とし，2番目の要素からfor文で順に走査するのが適切で ある．これに対しソースコード2の学習者の解答では，変 数maxは0で初期化され，for文で配列の先頭要素から順 に走査を行っている．この書き方は定数0を最大値として 仮定しており，教育意図と合わない解答と考える．この場 合評価コードはソースコード3，4のようになり，それぞ れ比べると1，2行目が異なるので，学習者のコードは不 適切であると判断される． Listing 5 模範解答のコード断片 1 sum = 0; 2 for( i = 0 ; i < size ; i++ ){ 3 sum += array[i]; 4 } Listing 6 学習者の解答のコード断片 1 sum = array[0]; 2 for( i = 1 ; i < size ; i++ ){ 3 sum += array[i]; 4 } Listing 7 ソースコード5の評価コード 1 =0; 2 for(=0;<;++){ 3 $var= 4 } Listing 8 ソースコード6の評価コード 1 =[] 2 for(=1;<;++){ 3 $var= 4 } ソースコード5は，「配列の合計値を求めるプログラムを 作成しなさい」という課題に対する模範解答のコード断片 で，教育意図は「合計を例に，配列の先頭要素から最後ま で順に走査し処理を行う」である．ソースコード5は要素 数(≥0)の配列の合計値を求める処理であり，この場合は for文のカウンタ変数は0から繰り返し処理させることが 適切である．これに対しソースコード6の学習者の解答 は，変数sumを配列の先頭で初期化しており，配列の途 中から繰り返しの処理をしている．このような解答も教育 意図と合わないと考えられる．また，評価コードはソース コード7，8のようになりそれぞれ比べると1，2行目が異 なるので，学習者のコードは不適切であると判断される． 最大値を求めるにはfor文は 1から繰り返し処理をす るほうが良いが，合計を求めるにはfor文は 0から繰り 返し処理をする方が良い．しかし, 一般的なコーディング チェッカではソースコード1，6のコードを区別して判定 することができない．模範解答から評価コードの抽出を行 うことによりこのような問題に対処できると考えた． 次に「anを計算するプログラムを作成しなさい」とい う課題を例に考える．この課題の教育意図は「for文でn 回繰り返し計算を行う」である．模範解答は変数powを1 で初期化し，for文でi=0からi<nまで繰り返しpowにa を掛けて計算する．この課題に対して，powを1で初期化 し，for文でi=1からi<=nまで繰り返しpowにaを掛け て計算する解答や，powをaで初期化し，for文でi=1か らi<nまで繰り返しpowにaを掛けて計算する解答が想 定される．教育意図から前者の解答は適切，後者の解答は 不適切である．しかし，昨年度の研究[1]では抽出基準を 一律としているので前者の解答も不適切であると判定され てしまう．正しく判定を行うためには課題ごとに異なる基 準で評価コードを抽出する必要がある．
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学習項目と評価コード
4.1 学習項目の必要性 本研究では，学習内容ごとに異なる抽出基準で模範解答 から評価コードを抽出することにより，昨年度研究の問題 点を解決する．抽出基準を課題ごとに教育者が記述するこ とでこの問題は解決できるが，この方法では教育者の負担 が大きい．そこで，学習項目ごとの評価コードに同じ特徴 が現れれば，学習項目に対し抽出基準を設定することで， 教育者が学習項目を選択するだけでその課題に適した抽出 基準を用いて抽出できると考えた．これにより，教育者の 負担は少なく，評価コードには過不足ない教育意図を表し た記述のみを残すことができる．そこで，我々はどのよう な学習項目があり，それに対する評価コードはどのような 形で出現するのかを調べた． 4.2 学習項目の決定 学習項目を決定するに当たっては明解 C言語入門編 [6]の章立てを参考にした．その結果，学習項目は条件分 2岐(if)，条件分岐(switch)，繰り返し(while)，繰り返し (for)，繰り返し(do-while)，配列の6つに分類できた．ま た，同文献のサンプルコードから学習項目ごとに評価コー ドを抜き出した．なお，学習項目の決定において評価コー ドを抜き出す作業は手作業で行った．その結果評価コード を学習項目ごとに分類し，抽象化することができた．これ を意図パターンとする． 4.3 評価コードと意図パターン 意図パターンとは，評価コードを自動で抽出するために 使用するパターンであり，学習項目ごとの評価コードの特 徴的な箇所を示している．意図パターンは学習項目と条件 式，初期化の有無によって記述が変わり，条件式，初期化 の有無は教育者が判断する．教育者が学習項目を選択する ことで，意図パターンが決まり，この意図パターンを用い て模範解答から自動で評価コードを抽出することができ る．3節であげた「配列の最大値を求める」課題と「配列 の合計値を求める」課題を例に考える． Listing 9 意図パターン(配列初期化有り) 1 ={ 値又は[] } 2 for値関係演算子演算子(=;;){ 3 $var= 4 } Listing 10 意図パターン(for文条件式無し初期化有り) 1 値 2 = 3 for(){ 4 $var= 5 } Listing 11 anを計算するプログラムの評価コード 1 =1 2 for(){ 3 $var= 4 } この2つの課題の学習項目は，教育意図から「配列(初期 化有り)」となる．配列は条件式を必ず抜き出すので条件 式の有無は問わない．この学習項目に対して定義されてい る意図パターンはソースコード9になる．意図パターン中 の値，関係演算子，演算子はソースコード中の該当する箇 所をそのまま評価コードに抽出する．[]はソースコード の該当する箇所に配列が使われていれば[]を抽出する． $varはソースコード中の変数を$varに変換した記述であ る．ソースコード1，5にソースコード9をパターンマッ チングさせることで，ソースコード3，7が抽出される． また，3節であげた「anを計算するプログラムを作成しな さい」という課題を例に考える．教育意図から学習項目は 「for文(条件式無し初期化有り)」となり，この学習項目で 定義されている意図パターンはソースコード10となる． 模範解答にソースコード10をパターンマッチングさせる ことで，評価コード11が抽出される．この評価コードを 用いることにより，学習者の解答に，変数powを1で初期 化する初期化式があるか，for文が記述されているか調べ ることができ，3節であげた学習者の解答を正しく判定す ることができる．学習項目を選択することで，意図パター ンが決まり，課題ごとに異なる抽出基準で評価コードが抽 出できる．
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ツールの実現
本研究では，教育者が利用する「教育意図抽出ツール」 と学習者が利用する「教育意図判定ツール」を実現した． プルーフリーダの全体像を図1に示す． 図1 ツールの全体像 教育者は学習者が教育意図判定ツールを利用する前に， 作成した模範解答のファイル名，その課題に対する学習 項目を教育意図抽出ツールに入力する．入力された学習項 目に対して意図パターンが定義されているので，その意図 パターンと模範解答を用いて評価コードと判定ファイル を出力する．判定ファイルには，入力された学習項目と評 価コードのファイル名が記述されている．その後，学習者 は教育者から判定ファイルと評価コードを受け取り，教育 意図判定ツールに解答のファイル名を入力する．これによ り，学習者の解答から評価コードが抽出され，模範解答の 評価コードとマッチングを行い，学習者にフィードバック する．ツールの実装には，パターンに基づいたコード変換 が可能であるTEBA[5]を利用した．6
検証
南山大学情報理工学部1年生を対象に開講された2012 年度秋学期プログラミング基礎実習の課題（計59問）と 3これらの課題に解答をした9人の学生の解答を対象に，提 案したツールを用いて不適切な学習者の解答が検出できる か確認を行った．対象とした課題59問中19問は，異なる 解答を記述している学習者はいなかったので，ツールを利 用する必要がない課題として考え，集計の対象外とした． また模範解答の中には，設定した学習項目が含まれない課 題も存在したので，ツールの検証には，残りの36問を対 象に集計を行った． ツールを利用したところ36問中22問で不適切な学習 者の解答が検出された．検出された課題として，課題内容 「3つの整数を入力として受け取り，値が等しい数を出力 するプログラムを作成しなさい」，教育意図「if文とelse 文を用いて適切な条件式の記述」という課題がある．模範 解答のコード断片はソースコード12となる．この課題に 対して入力された3つの整数がすべて等しい場合の条件式 をソースコード13のように記述している学習者の解答が あった.この学習者の解答には,不要な条件式の記述がある ので，この解答は不適切であるという出力を得られた． Listing 12 模範解答のコード断片 1 if (na == nb && na == nc) 2 printf("三つの値は等しいです。"); Listing 13 学習者の解答のコード断片 1 if (na == nb && na == nc && nb == nc) 2 printf("三つの値は等しいです。"); また判定ができなかった課題は14問あり，大きく分け て2種類に分類することができた．1つ目は，複数の学習 項目がある課題である．これは，本ツールが複数の学習項 目の入力に対応していなかったので，評価コードの抽出が できなかった．この問題に対して，7.1節で考察する．2つ 目は，適切な学習者の解答を不適切と判定してしまう課題 である．これは，模範解答が複数記述できることが原因で ある．この問題は，教育者が複数の模範解答を用意し，そ れらの模範解答を用いて学習者の解答を判定することで， 解決することができる．
